USB作為一種的PC機互連協議,，使外設到計算機的連接更加高效,、便利,。這種接口適合于多種設備，不僅具有快速,、即插即用,、支持熱插拔的特點，還能同時連接多達127個設備,，解決了如資源沖突,、中斷請求（IRQs）和直接數據通道（DMAs）等問題。而RS-232是單個設備接入計算機時,，常采用的一種接入方式,，其硬件實現簡單，因此在傳統(tǒng)的設備中有很多采用了這種通信方式,。一般的IC卡門禁考勤系統(tǒng)也使用RS-232接口與PC機通信,。如果將USB技術應用于IC卡門禁考勤系統(tǒng)與PC機之間的數據通信，這樣,，不僅能使IC卡門禁考勤設備具備USB通信的諸多優(yōu)點，而且對PC機而言還可以節(jié)余1個RS-232串口為其它通信所用,。
二,、USB系統(tǒng)概述
USB規(guī)范描述了總線特性、協議定義,、編程接口以及其它設計和構建系統(tǒng)時所要求的特性,。USB是一種主從總線,，工作時USB主機處于主模式，設備處于從模式,。USB系統(tǒng)所需要的唯一的系統(tǒng)資源是,，USB系統(tǒng)軟件所使用的內存空間、USB主控制器所使用的內存地址空間（I/O地址空間）和中斷請求（IRQ）線,。USB設備可以是功能性的如顯示器,、鼠標或者集線器之類。它們可以作低速或者高速設備實現,。低速設備最大速率限制在1.5 Mb/s,，每一個設備有一些專有寄存器，也就是端點（endpoint）在進行數據交換時,，可以通過設備驅動間接訪問它,。每一個端點支持幾種特殊的傳輸類型，并且有一個唯一的地址和傳輸方向,。不同的是端點0僅用作控制傳輸,，并且其傳輸可以是雙向的。
系統(tǒng)上電后,，USB主機負責檢測設備的連接與拆除,、初始化設備的列舉過程，并根據設備描述表安裝設備驅動后自動重新配置系統(tǒng),，收集每個設備的狀態(tài)信息,。設備描述表標識了設備的屬性、特征,，并描述了設備的通信要求,。USB主機根據這些信息配置設備、查找驅動,，并且與設備通信,。
典型的USB數據傳輸是由設備驅動開始的，當它需要與設備通信時,，設備驅動提供內存緩沖區(qū),，用來存放設備收到或者即將發(fā)送的數據。USB驅動提供USB設備驅動和USB主控制器之間的接口,，并將傳輸請求轉化為USB事務,，轉化時需要與帶寬要求及協議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數據構成的,，這時需要先將它劃分為幾個事物再進行傳輸,。
具有相似功能的設備可以組成一類，這樣便于分享共有的特性和使用共同的設備驅動程序,。每個類可以定義其自己的描述符,，如：HID類描述符和Report描述符,。HID類是由人控制計算機系統(tǒng)的設備組成的，它定義了一個描述HID設備的結構,，并且表明了設備的通信要求,。HID設備描述符必須支持端點輸入中斷，固件也必須包括一個報告描述符,，表明接收和發(fā)送數據的格式,。在IC卡門禁考勤系統(tǒng)引入RS-232到USB的接口轉換模塊后，從系統(tǒng)所具有的特性來看,，應該屬于HID設備,。因此兩種特殊的HID類請求必須被支持：SetReport和GetReport.這些請求使設備能接收和發(fā)送一般的設備信息給主機。在沒有中斷輸出終端時,，SetReport是主機發(fā)送數據給HID設備的唯一方式,。
三、系統(tǒng)要求
為了實現IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS-232-USB的接口轉換,，需要1臺支持USB的主機,，同時還要提供主機上用于與外設通信的驅動，一般由操作系統(tǒng)提供,。此外,，還需開發(fā)在主機上執(zhí)行的客戶端應用程序。在設備端需要提供具有USB接口的主控制器芯片,，以及編寫主控制器上執(zhí)行的USB通信代碼和用于執(zhí)行外設功能的相關代碼,。
1、主機要求
主機必須能夠通過設備驅動接收USB數據,，并且使這些數據對處理這些請求的應用程序有效,。在主機中必須有一個驅動負責處理USB傳輸、辨識設備,、向USB設備收發(fā)數據,；同時，還需要有一個設備驅動-虛擬化串行口,，仿效真實的串口,。這個驅動必須能夠像真實的串口接收和發(fā)送USB數據。
從應用的觀點,，設備驅動必須能收發(fā)數據,，可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉化為USB數據實現。微軟提供了一個叫作USB POS的設備驅動,，它允許應用程序訪問USB設備時,，好像它們連接到標準串口上一樣。系統(tǒng)大致結構方框圖如圖1所示,。
2,、設備要求
在定義即將使用的微控制器時，必須說明一些通信要求,，如：通信速率,、頻率、傳輸的數據量等,?？紤]到IC卡門禁考勤系統(tǒng)有效的通信速率，可以把轉換器作為一個低速的設備使用,，低速設備通信速度可以在10~100 Kb/s的范圍變化,。考慮到傳輸的數據量和傳輸的頻率,，此系統(tǒng)中使用中斷的傳輸類型,，中斷傳輸可以在2個方向進行，但不能同時進行,，這種類型的傳輸要求在規(guī)定的時間里完成相當大數據量的傳輸任務,。
對于轉換模塊，它可以用于PC機的數據收發(fā),，操作系統(tǒng)提供了HID驅動,，允許使用中斷傳輸模式。對于低速設備的一個事務,，中斷傳輸最大的包容量是8字節(jié),，如果需要發(fā)送大量的數據。則必須把它分割為很多事務,。
轉換模塊要定義的另一個特性是所需端點數,。如上所述，端點是微控制器在USB通信過程中所用來發(fā)送和接收數據的緩沖區(qū),。此系統(tǒng)中,，該轉換器定義了2個端點：一個端點（端點0）用來控制傳輸，另一個端點是中斷輸入端點,，定義為發(fā)數據給PC機,。
根據以上要求，通過研究比較現有的微控制器,，考慮到如內存空間,、價格和開發(fā)包等因素，我們選用Cypress家族的一種8位RISC微控制器CY7C*XX/5XX.它使用哈佛總線結構,，是對較高I/O要求的低速應用設備的低價解決方案,。
圖2為IC卡門禁考勤系統(tǒng)USB通信實現硬件方框原理圖。
四、軟件設計和執(zhí)行
系統(tǒng)軟件由6部分組成：定義描述符,、設備檢測和列舉,、端點中斷服務程序、USB數據交換模塊,、串行口數據交換模塊,、USB/Serial模塊接口。下面簡要描述其中部分模塊程序的功能和實現思想,。
1,、描述符定義
描述符是數據結果或信息的格式化塊，它可以使主機知道這個設備,。每個描述符包含了這個設備整體的信息或者某個元素的信息,。所有的USB外設必須響應對標準的USB描述符的請求。
該系統(tǒng)中使用了1個接口和2個終端（控制和中斷輸入）,。由于受Win98的限制還不能使用中斷輸出終端,，因此為了解決這個問題，我們通過在端點0中使用SetReport傳輸PC機欲送往IC卡門禁考勤設備的數據,。
數據接收是在Output Reports中完成的,。根據送往IC卡門禁考勤設備最大的數據量，系統(tǒng)定義為16K個8位域,。發(fā)送數據給主機是在輸入報告中完成的,，它是8K個8位域。
2,、設備檢測和列舉
當1個USB人機接口類（HID）設備第一次連接到總線,，它將被總線供電但仍然非功能性等待1個總線復位。D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設備,，主機也同時知道了新連接的USB設備,，并將它復位。緊跟輸入包之后,，主機發(fā)送1個配置包,，從缺省地址0處讀取設備描述符。讀到描述符后,，主機將分配一個新的地址給設備,，并繼續(xù)查詢關于設備描述、配置描述,、人機報告描述的信息,，設備將開始對新分配的地址作出反應。根據從設備處返回的信息,。主機知道了被設備支持的數據終端的數量,，完成列舉過程。列舉結束后，Windows將把新的設備加入到控制面板的設備管理器中顯示,。
為此,，在微控制器中必須寫入訪問描述符的代碼，這樣便于對主機在列舉設備時發(fā)送的請求作出有效的辨識和響應,。在設備方面需要創(chuàng)建一個INF文件,，使Windows能夠辨識設備，并且為設備找到其驅動,。由于操作系統(tǒng)提供了簡單的INF文件，因此,，開發(fā)中只需要編寫寫入到微控制器中的程序,。
3、數據發(fā)送和接收過程
發(fā)送數據到門禁考勤系統(tǒng)是通過控制端點0中使用SetReport來完成的,。主機先向門禁考勤系統(tǒng)請求發(fā)送數據,，設備響應請求后，主機便開始執(zhí)行,。當有數據到達設備的終端0時,，將對設備產生一個中斷。此時相應的中斷服務程序便將數據復制到數據緩沖區(qū),。一旦進入端點0的中斷服務程序,，所有的中斷必須關閉，確保能夠正確地復制數據,。
微處理器的數據緩沖區(qū)編程為可以接收64個字節(jié),，這個值是存放在設置包的包頭請求信息中。從主機處接收到的最大包大小,，是根據它將發(fā)送給門禁考勤系統(tǒng)的最大數據量來決定的,。
系統(tǒng)還使用了Put_command線程，通過1個I/O端口引腳,，向門禁考勤系統(tǒng)串口發(fā)送數據,。在執(zhí)行此線程時，根據串口通信協議插入了起始位,、停止位以及相應的延時,。
從門禁考勤系統(tǒng)接收數據的過程是利用端點1完成的。端點1配置為1個中斷輸入端點,，當有1個起始位到達引腳時,，GPIO中斷必須打開，并關閉所有其它類型中斷,。設計中通過使用1個Get_Serial線程來收集I/O引腳發(fā)出的串行數據,，并把它存入數據緩沖區(qū)。同時該線程負責檢驗接收到的起始位和停止位的正確性。當收到8個字節(jié)時,，將接收緩沖區(qū)中的數據復制到終端1的緩沖區(qū),，并且允許微處理器響應中斷輸入請求。
考慮到一般串行口的有效波特率的范圍在300~19 200 bps,，我們按處于最大波特率19 200 bps的情況來考慮,。傳輸1個字符需要時間接近0.75ms；而1個輸入中斷大約每10 ms送1個8字節(jié)的數據包,，因此設計1個128字節(jié)的快速數據緩沖區(qū)便可以保證不會丟失數據,。
RS-232-USB接口轉換模塊用于改進我們的IC卡門禁考勤系統(tǒng)，使用效果良好,。